页面置换算法

5.1.2 虚拟存储器的定义和特征
1、虚拟存储器定义
• 什么是虚拟存储？ – 定义：具有请求调入功能和置换功能，能从逻 辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。 它把内存与外存有机结合起来使用，构成容量 很大的“内存”。
– 目的：提高内存利用率
第五章 虚 拟 存 储 器
1、虚拟存储器定义
• 虚拟存储器管理应解决以下问题： – 主存和辅存的统一管理问题 – 逻辑地址到物理地址的转换问题 – 部分装入和部分对换问题
第五章 虚 拟 存 储 器
第五章
虚拟存储器
第五章 虚 拟 存 储 器
本章要点（1/2）
• 目标：了解虚拟存储器的相关概念和技术。 • 虚拟存储的基本概念
– 为什么要引入虚拟存储器？
– 虚拟存储器是如何扩充内存容量的？
– 虚拟存储器具有哪些特征？每种特征的具体含 义是什么？它们相互之间存在着什么样的关系？ 它们与离散分配之间又存在着什么样的关系？ – 实现虚拟存储器的关键技术是什么？这些技术 的实现需要得到哪些硬件支持和软件支持？
– 有的作业很大，所要求的内存空间超过了内存的总容量； – 有大量的作业要求运行，但由于内存容量不足，难以容 纳所有的作业。
• 解决方法：
– 从物理上增加内容容量 – 从逻辑上扩充内存容量
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5.1.1 常规存储管理方式的特征 和局部性原理
1、常规存储器管理方式的特征
• 简单存储器的特征
– 过程调用将会使程序的执行轨迹由一部分区域转至另一 区域，但调用深度通常不超过5
– 程序中存在许多循环结构，它们虽由少数指令构成，但 多次执行
– 程序中对数据结构的处理，往往都局限于很小的范围内
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2、局部性原理
• 局部性的表现方式
– 时间局部性 ：一个数据结构被访问，不久可能 再次被访问。典型原因： 程序中存在大量的循 环操作
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2、局部性原理
• 问题的提出(P.Denning)
一次性及驻留性是 – 程序在执行时将呈现出局部性规律，即在一较短时间内， 否是程序运行时所 程序的执行仅限于某个部分；相应地，它所访问的存储 必需的？ 空间也局限于某个区域。
• 论点
– 程序在执行时，大多数情况下是顺序执行的
第五章 虚 拟 存 储 器
本章内容
5.1 虚拟存储器概述 5.2 请求分页存储管理方式 5.3 页面置换算法 5.4 “抖动”与工作集 5.5 请求分段存储管理方式
第五章 虚 拟 存 储 器
5.1 虚拟存储器概述
第五章 虚 拟 存 储 器
5.1 虚拟存储器概述
• 简单存储器管理方式，都要求将一个作业全部装入 内存方能运行。于是出现以下两种情况：
• 把哪一部分装入内存
• 何时把页面装入
• 装入内存什么位置 • 当内存没有空间时淘汰哪个页面
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2、虚拟存储器的特征
• 多次性：指一个作业中的程序和数据允许被分成多 次调入内存运行，这是虚拟存储器最重要的特征。 • 对换性：指允许作业中的程序和数据在作业运行过 程中换入、换出。
– 必须有相应的硬件支持，用以实现虚拟分页和 虚拟分段存储管理；
– 操作系统必须提供相应的软件支持，管理页或 段在内存和外存之间的移动。
实现虚拟存储的典型过程
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1、请求分页系统
• 在简单分页基础上，增加了请求调页功能、页面置 换功能。
• 置换时以页面为单位进行 • 系统提供的硬件支持：
– 请求分页的页表机制；
– 缺页中断机构；
– 地址变换机构。
• 实现请求分页的软件：
– 请求调页软件
– 页面置换软件
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2、请求分段系统
• 在分段的基础上，增加了请求调段功能、分段置 换功能
• 置换时以段为单位进行 • 系统提供的硬件支持：
– 请求分段的段表机制；
– 缺段中断机构；
– 地址变换机构。
• 实现请求分段的软件：
– 请求调段软件
– 段置换软件
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5.2 请求分页存储管理方式
第五章 虚 拟 存 储 器
5.2 请求分页存储管理方式
• 建立在基本分页存储管理之上，是目前比较常用的 一种虚拟存储管理技术
• 70年代广泛地应用于大中型计算机系统中 • 目前许多微型机也开始使用虚来自百度文库存储器 • 是进一步完善主存-辅存存储层次，解决主存容 量提出的。
• 实现思想：当进程运行时，先将一部分程序装 入内存，另一部分暂时留在外存，当要执行的 指令不在内存时，由系统自动将它们从外存调 入内存。
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– 空间局部性：一段时间访问的地址可能集中在 一定范围 。典型原因：程序顺序执行
sum = 0; for (i = 0; i < n; i++) sum += a[i]; return sum;
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3、虚拟存储器的基本工作情况
• 1961年英国曼彻斯特大学Kilbrn等人提出
– 一次性：作业必须一次性全部装入内存才能开始 运行，这是一种对内存空间的浪费。
– 驻留性：作业装入内存后，便一直驻留在内存直 至作业运行结束，占据了宝贵的内存资源 • 一次性及驻留性带来的问题：
– 会使许多在进程运行时不用的或暂时不用的程序 （数据）占据大量的内存空间;
– 使一些需要运行的作业无法装入运行。
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本章要点（2/2）
• 请求分页系统的基本原理
– 为实现虚拟存储器，必须扩充表项的内容，除了内存块 号和存取权限字段以外，页表中还必须增加哪些字段， 为什么要增加这些字段？ – 请求分页系统的地址变换也必须通过地址变换机构进行， 请求分页系统的地址变换机构，是在基本分页系统的地 址变换机构的基础上增加了哪些功能而形成？ – 常用的页面置换算法有哪些？ – 为什么LRU算法具有比较好的性能？它的主要缺点是什 么？可用什么方法实现LRU近似算法？
• 虚拟性：指能够从逻辑上扩充内存容量，使用户所 看到的内存容量远大于实际内存容量。这是虚拟存 储器表现出的最重要特征，是实现虚拟存储器的最 重要的目标。
• 虚拟性是以多次性和对换性为基础，多次性和对换 性是建立在离散分配的基础上。
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5.1.3 虚拟存储器的实现方法
• 虚拟存储器管理的技术支持